技术领域
[0001] 本实用新型是基于
光伏发电与
热泵循环技术的有机结合，从而实现了一种全新的主动式太阳能聚热储能系统，属于光伏光热技术领域。
背景技术
[0002] 现有太阳能光伏发电设备得到了广泛应用，通过光伏组件可将太阳能转换为光电。但在太阳能光伏发电领域，目前所采用的光伏系统与控制方法中存在有以下问题与
缺陷：
[0003] 一、太阳能资源利用效率低下，浪费严重。在太阳能
光谱中，只有可见光的部分
光子能可以转
化成光电，其他光子能、以及占比约为53％的红外能，则以普通
热能的形式被释放掉了，因此太阳能光伏发电的转化利用率只有18％左右。光能中仅有小部分以光电形式加以利用。而且，由于光伏板吸收光能而导致其自身
温度升高，其温度每升高1℃，光伏发电效率下降0.5％，即光伏板异常升温导致其发电效率大大降低。
[0004] 二、针对太阳能光伏发电组件的技术改进进入了
瓶颈期，其发电效率的提升、制造成本的降低空间越来越小。如现有通常采用的原材料，多晶
硅的发电转换效率仅为18％，
单晶硅能达到20％，相关硅原料最多达到29％的转换效率。从光伏板结构创新与材料替代而追求
能量转换效率的提升越来越难。在2012-2017年期间，我国传统的太阳能光伏产业链已经将成本下降了近一半，光伏产业链各个环节的毛利也已经出现根本分化，光伏产品的能效比空间已经被压缩的越来越小，难以有本质上的提升了。
[0005] 三、在实际使用过程中，现有光伏板在冬季户外环境下易结霜、甚至出现
冰冻现象，在空气中热量减少、光能不足以化霜化冻的前提下，太阳能转换成光电的效率大大降低。而现在还没有有效的化霜化冻手段，通常是由人工或采取电热化霜的方式，费时费
力，同时浪费了大量
能源。
[0006] 有鉴于此，特提出本
专利申请。实用新型内容
[0007] 本实用新型所述主动式太阳能聚热储能系统，针对
现有技术存在的问题而基于光伏发电与热泵循环技术的有机结合，提出了一种全新的主动式聚热储能系统和方法。以期针对吸收太阳能所形成的热能有效地进行传输与存储，从而整体上提高太阳能吸收转化效率，进一步提高光伏产品的能效比与市场价值。
[0008] 实用新型目的还在于，通过光伏组件热能的传输以有效地控制光伏组件自身温度在合适的工作区间，以相应地提高光伏组件光电转换效率，特别是夏季炎热
气候条件下维持其稳定的光电转换性能。
[0009] 另一实用新型目的在于，通过光伏发电组件与热泵装置的
接触式组合，解决在冬季光伏设备制热效率较低、以及光伏板表面化霜化冻的问题。
[0010] 为实现上述实用新型目的，所述主动式太阳能聚热储能系统，主要具有以下依次相互连接的装置：
[0011] 光伏发电装置，通过光伏板吸收可见光而转化成光电；
[0012] 热泵装置，用于将光伏板产生的热能通
过冷媒循环管路传递至蓄能装置；热泵装置的
蒸发器组件与光伏板连接而形成聚热装置；
[0013] 蓄能装置，用于吸收并存储从热泵装置单向输送来的热量。
[0014] 如上述基本设计构思，基于光伏发电与热泵循环技术的有机结合，通
过热泵装置实现
蒸发器组件一端的制冷，以将冷量供给光伏板、同时将光伏板产生的热量输送到蓄能装置进行存储(或是直接以提供热
水、制热空气的方式加以利用)。从而提高太阳能的吸收与转化效率，即使在炎热的夏季也可直接有效地降低并维持光伏板在理想的
工作温度范围之内，相应地能够提高光伏组件的光电转换效率。
[0015] 针对聚热装置的进一步改进与优化方案是，蒸发器组件与光伏板的表面紧密贴合而连接成一体式结构；在蒸发器组件与光伏板之间的贴合部涂覆有一层导热胶。
[0016] 采取此类接触式换热装置，能够将光伏板表面产生的大部分热量高效地传递出来，热泵装置的吸热源为光伏板表面的热能与周围环境中的空气热能。尤其是在冬季，当
环境温度降低而空气热能不足以有效制热情况下，光伏板表面吸收太阳光形成的热能仍可形成稳定的热源。同时，当光伏板因低温而结霜结冻时，可通过热泵装置中的冷媒循环换向，而可将蓄能装置一侧的热量通过蒸发器组件向光伏板表面传递，从而有效地进行化霜化冻操作。
[0017] 所采用的蒸发器组件，可优选为
翅片式换热器、单向多通道换热器和/或板
管式换热器。上述蒸发器组件的蒸发器面积较大、换热效率较高。基于现有热泵装置的部件与循环管路设计条件，可提高蒸发温度、换热温差较小。即使在冬季低温工况下，蒸发器组件也不易结霜。
[0018] 所述的光伏发电装置，光伏板转换形成的光电经逆变器由直流电转变为交流电，不仅可接入市政
电网而缓解用电高峰，还可给热泵装置的各电气部件供电，从而充分地利用光伏发
电能效。
[0019] 综上内容，所述主动式太阳能聚热储能系统具有以下优点和有益效果：
[0020] 1、所述主动式聚热储能系统及方法，将光伏组件所吸收太阳能而形成的热能传递至后端的蓄能装置，即有效降低了光伏组件自身温度而提高其发电效率，又能够将光伏能及部分环境空气能通过封闭循环的热泵装置转化为可存储与利用的热能，最大限度地提高了太阳能利用率。经过实验可知，应用本申请的太阳能综合利用率可提高至72％以上，同时可保证消费者用电、采暖和热水使用需求。相较于传统的太阳能光伏和光热产品，可为消费者提高30％-300％的市场收益，远优于光伏产品7-9年的回收期。在光伏补贴政策退坡或没有国家政策补贴的情况下，仍可实现平价上网。本申请可重点应用于宾馆、酒店、学校以及清洁采暖和光伏扶贫工程。
[0021] 2、通常吸收的
太阳辐射中仅有8％-30％的能量可以转化为电能，其余都转化成热能或以
电磁波形式辐射出去，使得光伏板表面温度显著高于25℃。尤其是在夏季，光伏板表面温度甚至高达80℃以上，当温度每升高1℃时，其发电效率降低约0.5％，当温度超过60℃时，发电效率急剧下降。利用本申请，可有效地降低并维持光伏板在理想的工作温度区间，从而有效地保护光伏组件，最大限度地保障其光电转换效率。
[0022] 3、现有的太阳能光热利用因太阳能热流
密度低、辐射间歇性等原因，在阴雨天和冬季工作时会相应地出现供热温度与供热量不足的问题，现有仅单纯地依靠扩大集热面积而造成系统成本和安装面积的大幅增加。本申请能够将光伏板表面形成的热量移走并有效利用起来，就可以取长补短。一方面降低了光伏板的工作温度，以提高晶体硅
电池的光电转换效率；另一方面，本申请所述系统富集的热量通过热泵装置的转化存储而在建筑生活热水、热电联供、清洁取暖等方面具有广阔的应用前景。
[0023] 4、方便地解决了光伏板在冬季户外环境下的化霜化冻问题，减少人工干预与电热化霜的能源浪费。
附图说明
[0024] 图1是所述主动式太阳能聚热储能系统示意图；
[0025] 图2是热泵装置的结构示意图；
[0026] 图3是聚热装置的原理图；
[0027] 图4是图3的俯向示意图；
[0028] 图5是
实施例1中的翅片式换热器结构示意图；
[0029] 图6是图5中A-A向剖面示意图；
[0030] 图7是实施例2中的单向多通道换热器结构示意图；
[0031] 图8是图7的俯向示意图；
[0032] 图9是实施例3中的板管式换热器结构示意图；
[0033] 图10是图9的俯向示意图；
[0034] 在图中，光伏发电装置1，光伏板11，
控制器12，
蓄电池13，逆变器14，
传感器15，光伏玻璃16，发电组件17；
[0035] 热泵装置2，聚热装置20，冷媒循环管路21，蒸发器组件22，
压缩机23，分离器24，换向
阀25，
电子膨胀阀26，干燥
过滤器27，
循环泵28，导热胶29；
[0036] 蓄能装置3；
[0037] 翅片式换热器40，挡
风板41，风机42，
背板43，空气循环通道44，盘管45，翅片46，固定组件47；
[0038] 单向多通道换热器50，入口汇集管51，出口汇集管52，换
热管53，
底板54；
[0039] 板管式换热器60，板61，管62，流入总管63，流出总管64。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0041] 实施例1，如图1至图6所示，所述的主动式太阳能聚热储能系统，主要具有以下依次相互连接的装置：
[0042] 光伏发电装置1，通过光伏板11吸收可见光而转化成光电；
[0043] 热泵装置2，用于将光伏板11产生的热能通过冷媒循环管路21传递至蓄能装置3；热泵装置2的蒸发器组件22与光伏板11连接而形成聚热装置20；
[0044] 蓄能装置3，用于吸收并存储从热泵装置2单向输送来的热量。
[0045] 所述的光伏发电装置1，还包括有控制器12，蓄电池13，逆变器14和传感器15。
[0046] 其中，如图1所示，控制器12分别连接并控制蓄电池13、逆变器14、传感器15、风机42、以及热泵装置2的工作状态；
[0047] 传感器15用于检测并上传聚热装置20中光伏板11表面的工作温度；
[0048] 光伏板11包括
叠加的光伏玻璃16，导热胶29和发电组件17；
[0049] 所述的聚热装置20，蒸发器组件22与光伏板11的表面紧密贴合而连接成一体式结构；在蒸发器组件22与光伏板11之间的贴合部涂覆有一层导热胶29；
[0050] 光伏板11在太阳光照射下输出光电，产生的电能通过控制器12控制转移到蓄电池13中进行存储，并可通过逆变器14作用转化为交流电。所产生的交流电可反向地应用到系统本身，为风机42、循环泵28和热泵装置2等的用电部件提供驱动电能，也可以接入到市政电网中为电网提供电力输入。
[0051] 如图2所示，所述热泵装置2采取热泵循环系统结构，其前端的蒸发器组件22与光伏发电装置1的光伏板11形成聚热装置20。通过冷媒循环管路21构成以压缩机23为中心的压缩式热泵系统，在分离器24，换向阀25，电子膨胀阀26和干燥过滤器27之间形成冷媒
相变传热循环系统。
[0052] 在聚热装置20的翅片式换热器40内部，冷媒由低温低压的液态蒸发吸热而转变为低温低压的
蒸汽，然后进入压缩机经过压缩变为高温高压的气态冷媒，之后进入蓄能装置3，将聚热装置20吸收来的热量传递给蓄能装置3。经过蓄能装置3后的冷媒由高温高压气态变为低温高压液态，之后经过电子膨胀阀26的节流降压重新变成低温低压的液态，重新进入聚热装置20中，再次进行蒸发吸热，如此循环往复，实现热量的传递与转移和存储。
[0053] 在该过程中，由于冷媒在聚热装置20中蒸发吸热，光伏板11的温度得以降低，发电效率得以提高。经过测试发现，光伏板11的温度保持在25-30℃左右，发电效率最高。系统通过光伏板11表面设置的传感器15可触发控制改变风机42的转速，以保证光伏板11表面
温度控制在30℃以下。
[0054] 如图3至图6所示，所述蒸发器组件22优选为翅片式换热器40。其中，翅片换热器40包含盘管45和翅片46两部分，其中翅片46与盘管45为沿管路径向圆周包裹式的结构；
[0055] 所述翅片式换热器40，其盘管45的轴向与光伏板11表面保持平行，与光伏板11贴合的翅片46具有U型的剖面结构以增加翅片46与光伏板11的接触传热面积，翅片46的厚度为0.1-0.3mm；
[0056] 较为优选的方案是，翅片46和光伏板11之间贴合部A宽度，与相邻两翅片的间距C的比值为1：(0.8-1)；翅片间隙C大致相当于贴合部A的宽度，则光伏板11吸收形成的热能，一部分通过A部热传导传递给翅片46，一部分通过间隙采用
对流换热的方式传递给翅片46间隙的空气，然后间接地以对流换热方式传递至翅片式换热器40；
[0057] 沿所述翅片式换热器40的垂向，分为上部区域与下部翅片；上部区域与下部翅片的垂向长度比值为2：1，上部区域与下部翅片的间距C比值为1：2；翅片46沿垂向采取上密下疏的结构方式，即翅片式换热器40下部1/3处及以下部分，翅片46间隙尺寸为其上部区域的一半。热量由光伏板11向翅片式换热器40传递，自与光伏板11贴合一侧向另一侧形成一定的温度梯度，温度逐渐降低。即以盘管45为中心，与光伏板11贴合一侧的翅片46由于吸收了较高温度的热能而产生较高的温度；
[0058] 在翅片式换热器40内部，热量由于密度低而自行向上流动，因此光伏板11表面上部区域热量大，下部热量低，温度出现不均匀的现象。为保证光伏板11换热均匀而提高其发电效率，翅片式换热器40下部1/3处及以下部分的翅片46间距加大，以减小与光伏板11接触侧的接触面积；同时，翅片式换热器40上部区域2/3处的翅片面积相对较大，可以吸收更多的热量，以保证整体换热均匀、以及光伏板11表面工作温度的均匀。另外，下部1/3处及以下部分翅片间距加大，还可在外部空气进行循环换热时，有效地减小底部进风阻力，保证空气流动性。
[0059] 对流空气自翅片46底部吸入后，带动翅片间空气热量流动，形成混合空气热量流，共同与翅片式换热器40进行换热后从顶部流出；
[0060] 为了维持翅片式换热器40整体的热量传递均衡，挡风板41与背板43之间形成垂向的空气循环通道44，在空气循环通道44一端设置有风机42；即在未与光伏板贴合一侧的空气循环通道44一端设置有风机42；在风机42带动下，该侧翅片46与外部空气形成换热流道，充分地吸收外部空气中的热量，以平衡盘管45两侧的热量差异和温度梯度；
[0061] 因此，翅片式换热器40在与光伏板11贴合部的两侧端分别设置有一组挡风板41；光伏板11与背板43通过固定组件47进行安装，光伏板11与翅片46及背板43通过挡风板41形成相对封闭的空间；
[0062] 挡风板41一方面保证部分换热是在翅片式换热器40与光伏板11的非接触侧进行，另一方面保证光伏板11传递来的热量具有与翅片46在接触侧具有足够的换热时间，避免此部分热量被风机42直接吸走；
[0063] 在聚热装置20微流动循环动力不足时，可开启风机42为微循环提供动力输出。具体地，光伏板11表面设置有温度传感器15，通过光伏板11表面温度来调节并控制风机42的转速。
[0064] 若光伏板11温度高于50℃，则风机42高速运行，运转速度为最高转速的60％-80％，以快速地排走热量、保证发电效率；
[0065] 当光伏板温度高于30℃低于50℃时，风机42中速运行，运转速度为风机最高转速的30％-60％，以形成轻微气流扰动效果，增强换热效率；
[0066] 当光伏板温度高于20℃低于30℃时，风机42低速运行，运转速度为风机最高转速的10％-30％，此时光伏板11吸收热量较低，风机42低速运行可保证充分地换热效果；
[0067] 当光伏板温度低于20℃时，风机42中、高速运行，运转速度为风机最高转速的60％-80％；此时，环境温度低，太阳能热量不足，加大风机转速可提高空气中能量与翅片式换热器40的换热效果。经测试，本申请聚热装置20主要吸收热量来源为太阳能，占比约70％及以上，空气热能为辅助能源，占比约30％左右。
[0068] 应用如上所述的聚热储能系统而实现的主动式太阳能聚热储能方法，是基于循环管路中冷媒相变，吸收光能转化形成的热能，被热泵装置2从光伏发电装置1一侧传递并存储至蓄能装置3。
[0069] 其中，蒸发器组件22与光伏板11的表面紧密贴合而连接形成聚热装置20；蒸发器组件22接触传输光伏板11形成的热能，光伏板11温度被控制在20-30℃之间。
[0070] 同时，光伏板11吸收可见光而转化成的光电，经逆变器14转换成交流电并向热泵装置2供电。
[0071] 另外，在热泵装置2中，可通过控制冷媒反向循环，热能从蓄能装置3端流向光伏发电装置1，通过蒸发器组件22向光伏板11传递热量，以实现光伏板11表面的化霜化冻。
[0072] 实施例2，如图7和图8所示，所述的主动式太阳能聚热储能系统，其蒸发器组件22优选为单向多通道换热器50。
[0073] 所述的单向多通道换热器50，在入口汇集管51与出口汇集管52之间连通有多组并联的、平行设置的换热管53；
[0074] 换热管53与底板54紧固连接，底板54通过导热胶29与光伏板11紧密贴合；
[0075] 换热管53具有
扁管和/或D型管的剖面结构，以增大接触换热面积；
[0076] 冷媒
流体由上部区域的入口汇集管51流入，在换热管53内均匀分流，最终从出口汇集管52流出；该换热器的一侧具有底板54，多条换热管53与底板54接触换热，底板54采用导热效果较好的金属板材，厚度0.5-1mm；换热管53与底板54可采用
锡焊
焊接或者导热胶粘接固定的固定方式；底板54与光伏板11通过机械固定方式安装在一起，配合间隙涂抹导热胶29以增加传热效果。
[0077] 实施例3，如图9和图10所示，所述的主动式太阳能聚热储能系统，其蒸发器组件22优选为板管式换热器60。
[0078] 在板61上通过吹胀工艺而形成多方向、多流道的管62，冷媒在流入总管63和流出总管64之间循环流动；
[0079] 在板管式换热器60同一侧，板61、管62分别与光伏板11之间的贴合部涂覆有一层导热胶29；
[0080] 管62具有扁管和/或D型管的剖面结构；
[0081] 冷媒自流入总管63进入后分为多个流道，经多次往返循环后从流出总管64流出；该换热器与光伏板11的接触侧通过热传导方式传递热量，相对地另一侧则通过与外部空气
自然对流的方式吸收空气热量，该换热器未设置风机。
[0082] 因与光伏板11接触的一侧为非平整面，因此，导热胶29的涂抹需要一定的厚度，以填充板管式换热器60非平
正面的凹陷，即导热胶29涂抹厚度需不低于管62的凸起厚度，以保证填充均匀充分。
[0083] 如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本实用新型的结构的方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上描述所作的任何部件形状、尺寸、连接方式和安装结构的
修改、等同变化与修饰及各组成部件
位置和结构的轻微调整，均仍属于本实用新型技术方案的权利范围。
